Department of Chemical School of Διαχείριση υγρών αποβλήτων ενεργή ιλύς Αναπλ. Καθηγητής Δημοσθένης Σαρηγιάννης 1
Department of Chemical School of Εισαγωγή Είναι πλεονέκτημα για μια κοινότητα να μπορεί να επεξεργάζεται τα λύματα που παράγει με έναν οικονομικό τρόπο. Η ενεργή ιλύς προσφέρει το πλεονέκτημα της παραγωγής υψηλής ποιότητας εκρέον με σχετικά μικρό κόστος συντήρησης και λειτουργίας Η μέθοδος της ενεργής ιλύος χρησιμοποιεί μικροοργανισμούς οι οποίοι τρέφονται με τα οργανικά υλικά που υπάρχουν στα λύματα. Η βασική αρχή λειτουργίας της μεθόδου είναι ότι οι μικροοργανισμοί αναπτυσσόμενοι, σχηματίζουν σωματίδια και συσσωματώματα. Αυτά τα συσσωματώματα (flocs) δύναται να απομακρυνθούν με καθίζηση, προσφέροντας έτσι μια εκροή υψηλής ποιότητας Οργανική ύλη + Ο 2 + θρεπτικά CO 2 +ΝΗ 3 + νέα βιομάζα + τελικά προϊόντα Αρχικά αναπτύχθηκε στην Αγγλία στις αρχές του 1900, δεν διαδόθηκε όμως μέχρι το 1940. Σήμερα, εμφανίζονται τρεις βασικές παραλλαγές της βασικής διαδικασίας. : Εκτεταμένος αερισμός, Αντιδραστήρες διαλείπουσας λειτουργίας, και Οξειδωτικοί τάφροι 2
Department of Chemical School of Αερόβια Μια διεργασία που απαιτεί την παρουσία οξυγόνου F: M - Λόγος τροφής μικροοργανισμών Floc - συσσωματώματα- Μάζες μικροοργανισμών Κροκίδωση- δημιουργία συσσωματώσεων με μηχανικό ή χημικό τρόπο Φόρτιση - Η ποσότητα οργανικού υλικού που προστίθεται στο σύστημα σε σχέση με το χρόνο MLSS- Αιωρούμενα στερεά μικτού υγρού MLVSS- Πτητικά αιωρούμενα στερεά μικτού υγρού SRT - Ο χρόνος κατακράτησης των στερεών TSS - Το σύνολο των αιωρούμενων στερεών Ιλύς - Τα στερεά που καθιζάνουν κατά τη διάρκεια της διαδικασία (υλικό πλούσιο σε μικροοργανισμούς Διόγκωση ιλύος- ένα φαινόμενο κατά το οποίο κατά τη δευτεροβάθμια καθίζηση η βιολογική λάσπη δεν καθιζάνει με τον απαιτούμενο ρυθμό αποτέλεσμα συνήθως της παρουσίας νηματωδών μικροοργανισμών 3
Department of Chemical School of Η διαδικασία Η μέθοδος της ενεργής ιλύος αποτελείται από πολλά αλληλένδετα μεταξύ τους στάδιά. Και απαιτεί : Μία δεξαμενή αερισμού όπου λαμβάνουν χώρα οι βιολογικές αντιδράσεις Μια πηγή αερισμού η οποία παρέχει οξυγόνο και ανάμιξη στο σύστημα Μια Δεξαμενή, γνωστή ως δευτεροβάθμιας καθίζησης, όπου τα στερεά καθιζάνουν και διαχωρίζονται από τα διαυγασμένα υγρά Ένα σύστημα απομάκρυνσης της ιλύος η οποία είτε θα επιστρέψει στη δεξαμενή αερισμού για να μειώσει τη σχέση F/M και να επιταχύνει την διαδικασία (ανακυκλοφορία), η θα μεταφερθεί προς περεταίρω επεξεργασία και ανάκτηση ενέργειας. 4
Department of Chemical School of Τυπική διεργασία Βιομάζα Αχρησιμοποίητα θρεπτικά συστατικά Μεταβολικά προϊόντα Πρώτες ύλες Βιοαντιδραστήρας Βιοδιαχωρισμοί Υπόλειμμα πιθανή ανακυκλοφορία προϊόν που ενδιαφέρει 5
Department of Chemical School of Τα αερόβια βακτήρια αναπτύσσονται καθώς ταξιδεύουν εντός της δεξαμενής αερισμού Πολλαπλασιάζονται γρήγορα λόγο της επάρκειας τροφής, οξυγόνου αλλά και του είδους του περιβάλλοντος που τους παρέχεται Τη στιγμή που τα απόβλητα φθάνουν στο τέλος της δεξαμενής (τέσσερις έως οκτώ ώρες), οι μικροοργανισμοί έχουν χρησιμοποιήσει το μεγαλύτερο μέρος της οργανικής ύλης για τη συντήρησή τους και την παραγωγή νέων κυττάρων Ο κύκλος ξανά ξεκινά με την προσθήκη μέρους της ιλύος στην αρχή της δεξαμενής αερισμού 6
Λόγος τροφής μικροοργανισμών (F/M ratio) Department of Chemical School of Ο λόγος της τροφής προς τους μικροοργανισμούς αναπτύχθηκε τις δεκαετίες 1950s και 1960s. Η τροφή είναι το υπόστρωμα. Και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως. Είναι μία έκφραση που εννοιολογικά εύκολα εξηγείται και βασίζεται σε μετρήσεις που λαμβάνονται τακτικά. Σε μορφή εξίσωσης, ο λόγος (F/M) είναι: Where Q = ημερήσια παροχή εισόδου του λύματος στην δεξαμενή αερισμού, m 3 /d S o = η συγκέντρωση COD (rbscod) στην είσοδο, mg/l V =ο όγκος της δεξαμενής αερισμού, m 3 X = η συγκέντρωση των μικροοργανισμών (mixed-liquor volatile suspended solids or MLVSS) στην δεξαμενή αερισμού, mg/l Οι μονάδες F/M είναι QS0 F/M= 51 V X mg BOD 5 / d mg mg MLVSS mg d Ο λόγος F/M έχει κάποια βάση στην θεωρία αλλά οι τιμές που χρησιμοποιούνται στην πράξη προέρχονται από εμπειρικές παρατηρήσεις. Χρησιμοποιούνται ως μέσω ελέγχου των υπολογισμών του σχεδιασμού της εγκατάστασης. Ο λόγος F/M γα διάφορες τροποποιήσεις της ενεργού ιλύος έχει εύρος 0.04-2.0 mg/mg d. 7
Department of Chemical School of 8
Department of Chemical School of Ιλύς Η Τροφή (οργανική φόρτιση) είναι ο ρυθμιστικός παράγοντας για τον αριθμό και την ποικιλομορφία των μικροοργανισμών που εμφανίζονται στα συστήματα ενεργής ιλύος Είναι σημαντικό να διατηρείται η ορθή αναλογία FM ούτως ώστε να εξασφαλιστεί η βέλτιστη λειτουργία Η ενεργής ιλύς αποτελείται από μικτές κοινότητες μικροοργανισμών, περίπου 95% βακτήρια και 5% λοιπούς οργανισμούς (πρωτόζωα, τροχόζωα, και υψηλότερων μορφών ασπόνδυλα). Σημαντικός αριθμούς ενός συγκεκριμένου είδους (indicator) μπορεί να καταδείξει την κατάσταση της διαδικασίας. Οι πιο κυρίαρχοι μικροοργανισμοί είναι αερόβια βακτήρια, αλλά υπάρχουν, σημαντικοί πληθυσμοί από μύκητες και πρωτόζωα. Τροχόζωα και νηματώδεις εμφανίζονται συχνότερα σε συστήματα με μεγάλους χρόνους αερισμού. Αμοιβαδοειδή και βλεφαριδοφόρα είναι τα ποιο κοινά πρωτόζωα σε μικρής ηλικίας λάσπες 9
Department of Chemical School of Κατά τη φάση εκκίνησης ή μετά από μια αναστάτωση της διαδικασίας, όπως η υπερφόρτιση (όταν μια ισχυρότερη από τη συνηθισμένη παρτίδα εισροής εισέρχεται στο σύστημα) λίγο ή καθόλου περίσσια ιλύς παράγεται. Τα Μαστιγοφόρα είναι ελεύθεροι κινούμενοι μικροοργανισμοί που κυριαρχούν στα υγρά κατά τη διάρκεια υψηλών φορτίσεων. Η παρουσία τους συνήθως δείχνει κακή ποιότητα εκροής. Βλεφαριδοφόρα, που είναι ελεύθερα κινούμενοι μικροοργανισμοί κυριαρχούν όταν η αναλογία F: M μειώνεται. Όταν κυριαρχούν αυτοί οι μικροοργανισμοί η ποιότητα της ιλύος είναι αρκετά καλή Νηματοειδή βακτήρια προκαλούν τη διόγκωση της ιλύος και δεν επιτρέπουν την ορθή καθίζηση. Αυτοί οι μικροοργανισμοί ευδοκιμούν όταν η περίσσεια ιλύος δεν απομακρύνεται με ορθό τρόπο. Νηματώδης διόγκωση της ιλύος είναι ένα από τα κοινότερα προβλήματα των συστημάτων ενεργής ιλύος. Οι χημικές και μικροβιακές αναλύσεις προσφέρουν δεδομένα αναφορικά με την ποιότητα της ιλύος και μπορούν να προειδοποιήσουν για ενδεχόμενα προβλήματα πριν την εμφάνισή τους 10
Δείκτης όγκου ιλύος Department of Chemical School of Ο SVI καθορίζεται βάζοντας ένα δείγμα από μίγμα υγρού σε ένα κύλινδρο 1-2 λίτρων και μετρώντας τον όγκο της ιλύος μετά από 30 λεπτά. Ένα αντίστοιχο δείγμα της ιλύος λαμβάνεται για την μέτρηση της συγκέντρωσης MLSS. Ο SVI υπολογίζεται: 3 settled volume of sluge, ml/l 10 / mg g ml SVI= = 58 MLSS, mg / L g Μια ιλύς με SVI 100 mg/l θεωρείται ότι καθιζάνει καλά. Όταν ο SVI > 150 mg/l τότε θεωρείται ότι υπάρχει νηματοειδής ανάπτυξη της ιλύος Η αναδιάταξη της εξίσωσης 58 έχει χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο σχεδιασμού για την πρόβλεψη της συγκέντρωσής των MLSS στην ανακυκλοφορία της ιλύος. Τα MLSS εκτιμούνται από την παραδοχή του SVI: Όπου X = MLSS, mg/l. mg g ml L ' 1000 / 1000 / X = 59 SVI 11
Department of Chemical School of Διαφοροποιήσεις της τεχνολογίας προκατασκευασμένες εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων. Συνήθως προορίζονται για την επεξεργασία ροών μεταξύ 100 και 10.000 m 3 ανά ημέρα. Χρησιμοποιούνται για περιοχές με μικρές παροχές όπως μικρές κοινότητες, πάρκα, παρκινγκ αυτοκινητοδρόμων, νοσοκομεία και φυλακές 12
Department of Chemical School of 13
Department of Chemical School of Εκτεταμένος αερισμός Η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε δεξαμενές αερισμού για περισσότερο από 18 ώρες. Ο αέρας μπορεί να παρέχεται με μηχανικό τρόπο ή με κατάλληλους διαχυτές. Η ανάμιξη γίνεται με αερισμό ή μηχανικό τρόπο Αυτή η μέθοδος λειτουργεί σε υψηλούς χρόνους κατακράτησης των στερεών (χαμηλή F: M), με αποτέλεσμα μια κατάσταση όπου μπορεί να λάβει χώρα και νιτροποίηση, με τους μικροοργανισμούς να ανταγωνίζονται για τις μικρές ποσότητες τροφής. Αυτή η εξαιρετικά ανταγωνιστική κατάσταση οδηγεί σε μικρή παραγωγή περίσσιας ιλύος Η διαδικασία εκτεταμένου αερισμού μπορεί να δέχονται περιοδικά (διαλείπουσα) υψηλές φορτίσεις, χωρίς να διαταράσσεται το σύστημα. Η μέθοδος παράγει μικρότερες ποσότητες λάσπης από άλλες μεθόδους αερόβιας επεξεργασίας 14
Department of Chemical School of 15
Department of Chemical School of 16
Department of Chemical School of Αντιδραστήρες διαλείπουσας λειτουργίας Στους αντιδραστήρες αυτού του τύπου οι διεργασίες του αερισμού, οξείδωσης και καθίζησης λαμβάνουν χώρα εντός της ίδιας δεξαμενής, σε αντίθεση με άλλα συστήματα όπου απαιτούνται διαφορετικές δεξαμενές για τις διαφορετικές φάσεις. Τα συστήματα SBR αποτελούνται από πέντε αλλεπάλληλα βήματα : (1) πλήρωση, (2) αντίδραση (αερισμός), (3) καθίζηση, (4) απομάκρυνση, και (5) αδράνεια. Η απομάκρυνση της περίσσιας ιλύος λαμβάνει χώρα κατά τη φάση της καθίζησης. Το σύστημα SBR λειτουργεί ως λεκάνη εξίσωσης κατά την πλήρωση, επιτρέποντας του έτσι να ανέχεται υψηλές ροές αιχμής και μεγάλα οργανικά φορτία Αφού τα λύματα περάσουν μέσα από ένα κόσκινο για να αφαιρεθούν χοντρά σωματίδια, εισέρχονται σε ένα μερικώς γεμάτο αντιδραστήρα. Μόλις ο αντιδραστήρας πληρωθεί, δρα σαν ένα συμβατικό σύστημα ενεργής ιλύος χωρίς εισροή ή εκροή. Ο αερισμός και η ανάμιξη διακόπτονται με την ολοκλήρωση της αντίδρασης, τα στερεά αφήνονται να καθιζάνουν, και το επεξεργασμένο απόβλητο (υπερκείμενο) απομακρύνεται. Τα πλεονάζοντα στερεά αφαιρούνται ανά πάσα στιγμή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Απαιτεί ειδικές γνώσεις λειτουργίας λόγο του χρονισμού που πρέπει να επιτευχθεί μεταξύ των διαφορετικών φάσεων λειτουργίας 17
Department of Chemical School of 18
Department of Chemical School of Οξειδωτική τάφρος Οι οξειδωτικοί τάφροι είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική παραλλαγή της ενεργής ιλύος, η οποία αποτελείται από ένα δακτύλιο ή οβάλ σχήματος κανάλι το οποίο είναι εξοπλισμένο με κατάλληλες μηχανικές συσκευές αερισμού, όπως ρότορες τύπου βούρτσα ή αεριστήρες τύπου εμβαπτισμένου δίσκου. Οι Τάφροι οξείδωσης συνήθως λειτουργούν ως συστήματα εκτεταμένου αερισμού με μεγάλους χρόνους παραμονής των στερεών. Τα στερεά αιωρούνται και κυκλοφορούν περιμετρικά της τάφρου. Η προ επεξεργασία περιλαμβάνει κοσκίνινη, εξάμμωση και λιποσυλλογή. Δεξαμενές δευτεροβάθμιας καθίζησης χρησιμοποιούνται για τις περισσότερες εφαρμογές. Τριτοβάθμια φίλτρα μπορεί να απαιτηθεί μετά την απολύμανση. Με τον επανααερισμό συνήθως να απαιτείται πριν από την τελική απόρριψη 19
Department of Chemical School of 20
Department of Chemical School of Σύγκριση μεθόδων Μέθοδος Θετικά Αρνητικά Εκτεταμένος αερισμός Εύκολη λειτουργία Ευκολία εγκατάστασης Δεν εμφανίζονται οσμές Μικρή απαίτηση σε χώρο Μικρή παραγωγή περίσσειας ιλύος Δεν μπορεί να επιτύχει απονιτροποίηση ή αποφωσφόριση, δυσκολία λειτουργίας όταν εμφανίζονται λύματα με διαφορετικά χαρακτηριστικά, μεγάλη ανάγκη σε ενέργεια Αντιδραστήρες διαλείπουσας λειτουργίας Μπορεί να επιτύχει νιτροποίηση, απονιτροποίηση και αποφωσφόριση, μεγάλη λειτουργική ευελιξία, μικρή πιθανότητα διόγκωσης ιλύος, λίγα λειτουργικά προβλήματα Μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, δυσκολία, συγχρονισμού ή χρονισμού, συνεχής απομάκρυνση περίσσειας ιλύος Οξειδωτικοί τάφροι Μικρή κατανάλωση ενέργειας, δεν υπάρχει συσχέτιση με τις καιρικές συνθήκες, προσφέρει άριστης ποιότητας εκρέον, μικρή παραγωγή περίσσειας ιλύος, ικανή να ανταπεξέρχεται με επιτυχία σε συνθήκες υπερφόρτισης Θορυβώδης με ταυτόχρονη παραγωγή οσμών, προβλήματα στην περίπτωση εισροής τοξικών υλικών, απαιτεί εκτεταμένες εκτάσεις γης 21
Αερισμός Department of Chemical School of Ο αερισμός επιτελεί δυο βασικούς σκοπούς, α) προσφέρει οξυγόνο το οποίο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξη των οργανισμών και β) προσφέρει τις βέλτιστες συνθήκες επαφής μεταξύ της τροφής και των μικροοργανισμών. Ο αερισμός αποτελεί το μεγαλύτερο καταναλωτή ενέργειας σε συστήματα αερόβιας επεξεργασίας που φτάνει και ως το 65% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Ο χρόνος κατά τον οποίο τα υγρά λύματα αερίζονται ξεκινά από τα 30 λεπτά και φτάνει έως και τις 36 ώρες ανάλογα με το οργανικό φορτίο αλλά και την μέθοδο η οποία αξιοποιείται.. Ο αερισμός μπορεί να λαμβάνει χώρα μηχανικά με τη χρήση βουρτσών αερισμού οι οποίες εκτοξεύουν μέρος του υγρού κλάσματος στον αέρα προσφέροντας αερισμοί και ταυτόχρονο ανάδευση. υπάρχουν και συστήματα προσθήκης αέρα μέσω της χρήσης υποβρύχιων συστημάτων διάχυσης μικρής διατομής φυσαλίδων αέρα, αλλά παρότι τα συστήματα αυτά προσφέρουν καλύτερης ποιότητα τελικού υγρού, το κόστος εγκατάστασης και συντήρησης είναι πολύ υψηλό 22
Department of Chemical School of 23
Απαίτηση σε οξυγόνο Department of Chemical School of Η εκτίμηση των αναγκών σε οξυγόνο μπορεί να γίνει από το bcod των λυμάτων και από την ποσότητα της βιομάζας που καταναλώνεται κάθε μέρα. Αν υποτεθεί ότι όλο το bcod μετατρέπεται σε τελικά προϊόντα, η ολική απαίτηση οξυγόνου θα είναι ίση με bcod. Επειδή ένα μέρος των λυμάτων μετατρέπεται σε νέα κύτταρα που απομακρύνονται, το bcod των απομακρυσμένων κυττάρων πρέπει να αφαιρείται από το συνολικό απαιτούμενο οξυγόνο. Η απαίτηση των απομακρυσμένων κυττάρων σε οξυγόνο μπορεί να υπολογιστεί υποθέτοντας ότι η οξείδωση των κυττάρων μπορεί να περιγραφεί από την παρακάνω αντίδραση: C H NO +5O 5CO +2H O+NH +energy 42 5 7 2 2 2 2 3 Η αναλογία του γραμμομοριακού βάρους είναι 5(32)/113=1.42 Έτσι η απαίτηση σε οξυγόνο της ενεργής ιλύος μπορεί να υπολογιστεί από 1.42 ( Px). Η μάζα του οξυγόνου που απαιτείται μπορεί να εκτιμηθεί από τον τύπο 3 M =Q S S 10 kg / g -1.42 P 43 O 2 0 X όπου M O2 =μάζα οξυγόνου, kg/d Q =παροχή των λυμάτων μέσα στην δεξαμενή αερισμού, m 3 /d S 0 = συγκέντρωση bcod στην είσοδο, g/m 3 S = συγκέντρωση bcod στην εκροή, g/m 3 P x = ενεργός ιλύς του παράγεται, kg/d 24
Απαίτηση σε οξυγόνο Department of Chemical School of Όταν η νιτροποίηση περιλαμβάνεται στην διαδικασία, η απαίτηση οξυγόνου πρέπει να περιλαμβάνει έναν όρο υπολογισμού της αμμωνίας και της οξείδωσης του οργανικού Ν Όπου NO x είναι η ποσότητα TKN που οξειδώνονται σε νιτρικά Nitrogen oxidized=nitrogen in influent - Nitrogen in effluent - Nitrogen in cell tissue where M =Q S S 10 kg / g -1.42 P +4.33 Q NO 44 3 O 0 X X 2 Το ισοζύγιο του αζώτου που υπολογίζεται για την εισροή TKN, το άζωτο απομακρύνεται από την σύνθεση της βιομάζας, και ανοξείδωτο άζωτο στην εκροή χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει το NO x. Υποθέτοντας ότι η σύνθεση της βιομάζας μπορεί να περιγραφεί ως C 5 H 7 NO 2, τότε η σύνθεση του αζώτου υπολογίζεται ως 0.12 g N/g της βιομάζας. Το ισοζύγιο μάζας του αζώτου είναι: NO Q TKN P Q - QN -0.12 X 0 e X X NO TKN N X NO x =οξείδιο του αζώτου, mg/l TKN 0 =εισροή ολικού αζώτου, mg/l N e =εκροή NH 4 -N, mg/l 0.12 P 0 45 e Q 25
Μεταφορά οξυγόνου Department of Chemical School of Η κινητήρια δύναμη που προκαλεί το οξυγόνο να κινηθεί είναι η κλίση της συγκέντρωσης: C s - C. C s είναι η συγκέντρωση κορεσμού του οξυγόνου στο υγρό, και C είναι η συγκέντρωση οξυγόνου στο υγρό. Όταν η C s είναι μεγαλύτερη από την C, ο ρυθμός μεταφοράς οξυγόνου αυξάνει. Ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του οξυγόνου είναι: dc dt =K L CS C 1 46 Όπου K L α είναι η σταθερά μεταφοράς οξυγόνου με μονάδα μέτρησης s -1 και C t είναι η συγκέντρωση στο κυρίως σώμα του υγρού (bulk liquid) τη χρονική στιγμή t. Υποκαθιστώντας στις εξισώσεις από 23-46 τους ορούς C = C 0 και C = C t και t = 0 και t = t, όπου C 0 είναι η αρχική συγκέντρωση και C t είναι η συγκέντρωση τη χρονική στιγμή t, παίρνουμε: c c s s ct =exp KL t 47 c 0 26
Μεταφορά οξυγόνου Department of Chemical School of Το αποτέλεσμα της έντασης της ανάμειξης και της γεωμετρίας της δεξαμενής πρέπει να εξεταστεί κατά την διαδικασία σχεδιασμού. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι συσκευές αερισμού που βαθμονομούνται από τους κατασκευαστές βασίζονται σε καθαρό νερό. Η σταθερά διόρθωσης a χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί K L α σε ένα πραγματικό σύστημα: KL wastewater = 48 K clean water L Οι τυπικές τιμές της σταθεράς α είναι 0.2-0.5 για συμβατική οξείδωση BOD, 0.4-0.7 για νιτροποίηση μόνο, και 0.5-0.75 για νιτροποίηση απονιτροποίηση (Rosso and Stenstrom, 2007). Ο δεύτερος συντελεστής διόρθωσης β χρησιμοποιείται για τη διόρθωση του ρυθμού μεταφοράς οξυγόνου εξαιτίας των διαφορών στην διαλυτότητα του οξυγόνου που οφείλονται στα συστατικά του νερού όπως άλατα, αιωρούμενα σωματίδια και επιφανειακές δραστικές ουσίες: Cs wastewater = 49 C clean water s Οι τιμές του β είναι από 0.7-0.98. Μια τυπική τιμή για τα υγρά απόβλητα είναι 0.95. 27
Μεταφορά οξυγόνου Department of Chemical School of Η αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των παραγόντων και της θερμοκρασίας, του υψόμετρου πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, και του βάθους των διαχυτήρων εκφράζεται από την εξής σχέση (Metcalf & Eddy, 2003): C avg CL T 20 AOTR=SOTR 1.024 F 50 C s20 where AOTR = πραγματικός ρυθμός μεταφοράς οξυγόνου, kg O 2 /h SOTR = κανονικός ρυθμός μεταφοράς οξυγόνου σε νερό βρύσης στους 20 Ο C και μηδενικό DO, kg O 2 /h C avg = μέση συγκέντρωση κορεσμένου διαλυμένου οξυγόνου σε καθαρό νερό στην δεξαμενή αερισμού σε θερμοκρασία T και υψόμετρο H, mg/l C L = συγκέντρωση οξυγόνου κατά την λειτουργία, mg/l C s, 20 = διαλυμένο κορεσμένο οξυγόνο σε καθαρό νερό 20 Ο C και 1 atm, mg/l T = θερμοκρασία λειτουργιάς, Ο C F = παράγοντας ακαθαρσιών (fouling factor) 28
Μεταφορά οξυγόνου Department of Chemical School of Η μέση συγκέντρωση διαλυμένου κορεσμένου οξυγόνου (C avg ) στην δεξαμενή αερισμού σε θερμοκρασία T και σε υψόμετρο H προσδιορίζεται από: Where C avg P d Ot CS, T, H 0.5 Patm, H 21 C S,T,H = συγκέντρωση κορεσμένου οξυγόνου σε θερμοκρασία T και υψόμετρο H, mg/l P d = η πίεση στο βάθος όπου απελευθερώνεται ο αέρας, kpa P atm, H = ατμοσφαιρική πίεση σε υψόμετρο H, kpa O t = επι τοις εκατό συγκέντρωση οξυγόνου στην έξοδο της δεξαμενής =(21%)(1 - %O 2 που απορροφάται) Η ατμοσφαιρική πίεση σε υψόμετρο H υπολογίζεται από το λόγο της πίεσης σε υψόμετρο H προς την πίεση στο επίπεδο της θάλασσας: P H g M zh z / PSL exp RT Where g = επιτάχυνση της βαρύτητας, 9.81 m/s 2 M = γραμμομόριο του αέρα= 28.97 kg/kg - mole z H = ύψος H, m z SL = ύψος από την επιφάνεια της θάλασσας, m R = παγκόσμια σταθερά αερίων, 8.314 N m/kg mole K T = θερμοκρασία, K SL 29
Ανακυκλοφορία της ιλύος Department of Chemical School of Το ισοζύγιο μάζας της δεξαμενής καθίζησης είναι η βάση για την επιλογή μιας παροχής για την επανακυκλοφορία της ιλύος. Υποθέτοντας ότι το ποσότητα της ιλύος στην δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης παραμένει σταθερή (steady state conditions) και ότι η εκροή των αιωρούμενων στερεών (X e ) παραμένει αμελητέα, το ισοζύγιο μάζας είναι: Συσσώρευση = εισροή - εκροή 31 X X X 0 = Q+Q ' - Q ' Q ' 32 r r r w r where Q παροχή υγρών αποβλήτων, m 3 /d Q r παροχή ανακυκλοφορίας της ιλύος, m 3 /d X αιωρούμενα στερεά του ανάμεικτου υγρού (MLSS), g/m 3 X r μέγιστη συγκέντρωση της ανακυκλοφορούμενης ιλύος, g/m 3 Q w παροχή της αποκρινόμενης ιλύος (περίσσεια ιλύος), m 3 /d Λύνοντας ως προς την παροχή της ανακυκλοφορούμενης ιλύος έχουμε: Q X ' Q w Xr ' Q r = 33 X ' X ' r 30
Ανακυκλοφορία της ιλύος Department of Chemical School of Χρησιμοποιώντας την εξίσωση12, η εξίσωση 33 μπορεί να ξαναγραφτεί: V X ' Q X ' c Q = r 34 X ' X ' r Συχνά η παραδοχή ότι τα αιωρούμενα στερεά στην εκροή είναι αμελητέα δεν είναι έγκυρη. Εάν η ποσότητα των αιωρούμενων στερεών στην εκροή είναι σημαντική, τότε το ισοζύγιο μάζας μπορεί να εκφραστεί ως εξής: X X X Q Q 0 = Q+Q ' - Q ' Q ' + X 35 r r r w r w e Λύνοντας ως προς την παροχή της ανακυκλοφορούμενης ιλύος έχουμε: Q X ' Q w X r ' Q Qw X e Q r = 36 X ' X ' r X r και X εμπεριέχουν τόσο τα πτητικά όσο και τα αδρανή κλάσματα. Έτσι διαφέρουν από τον X r και X κατά ένα σταθερό συντελεστή. Είναι γενικά παραδεκτό ότι το VSS είναι το 60-80 % από το MLVSS. Έτσι, το MLSS μπορεί να υπολογιστεί διαιρώντας με έναν συντελεστεί από 0.6-0.8 (ή να πολλαπλασιαστεί με 1.25-1.67) 31
Παραγωγή ιλύος Department of Chemical School of Δύο μέθοδοι χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της παραγόμενης ιλύος. Η πρώτη μέθοδος είναι ικανοποιητική για τον αρχικό σχεδιασμό. Βασίζεται σε πρακτικούς κανόνες και σε δημοσιευμένα στοιχεία από τις ήδη υπάρχουσες εγκαταστάσεις. Στην μέθοδο αυτή η ενεργός ιλύς που παράγεται κάθε μέρα προσδιορίζεται από: Y obs Y = 37 1k d c 3 P = Y Q S S 10 kg / g 38 x obs 0 where P x = ενεργός ιλύς που παράγεται κάθε μέρα όσον αφορά VSS, kg/d Y obs =παρατηρούμενη απόδοση, kg MLVSS/kg BOD 5 που απομακρύνεται Η ποσότητα της ιλύος που απομακρύνεται κάθε μέρα δίνεται από τη διαφορά μεταξύ της ποσότητας της αυξημένης ενεργού ιλύος και των ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS) που χάνονται στην εκροή Η μαζά του σπαταλιέται = αύξηση MLSS -TSS χάνονται στην εκροή 39 32
Department of Chemical School of Μια ακριβέστερη πρόβλεψη της παραγωγής ιλύος μπορεί να γίνει με επαρκή χαρακτηρισμό των λυμάτων. Οι παρακάτω εξισώσεις υπολογίζουν την αύξηση των ετερότροφων μικροοργανισμών (Part A), τα υπολείμματα κυττάρων από ενδογενή αποσύνθεση (Part B), το ρυθμό ανάπτυξης της νιτροποίησης (Part C), και τη ροή μη βιοαποδομήσιμων πτητικών αιωρούμενων στερεών VSS στην εισροή (Part D) 3 Y Q S0 S 10 kg / g P x, VSS = 1 k f k Y S S kg g 3 Q 0 10 / 3 Yn Q NOX 10 kg / g 1 k d d d d Παραγωγή ιλύος c 1 k c d c 3 Q 10 / D Part A Part B Part C nbvss kg g Part 40 where NO x =συγκέντρωση NH 4 -N στην εισροή που πρόκειται να νιτροποιθεί, mg/l f d =κλάσμα της μάζας των κυττάρων που παραμένει ως υπολείμματα, g VSS/g VSS 33
Παραγωγή ιλύος Department of Chemical School of Οι άλλοι όροι όπως ορίστηκαν προηγουμένως. Αν δεν υπάρχουν δεδομένα εργαστηριακής ανάλυσης, το f d μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι περίπου 0.15. Για να υπολογιστεί η συνολική μάζα των στερεών, πρέπει να συμπεριληφθούν τα ολικά αιωρούμενα στερεά (TSS). Υποθέτοντας ότι το κλάσμα των VSS της ολικής βιομάζας είναι περίπου 0.85 ( με βάση τη σύνθεση των κυττάρων), η παραγωγή των TSS υπολογίζεται ως εξής: Part A Part B Part C Part TSS VSS P x, VSS = D +Q 0 0 41 0.85 0.85 0.85 where TSS 0 =εισροή υγρών αποβλήτων TSS, mg/l VSS 0 =εισροή υγρών αποβλήτων VSS, mg/l 3 P = Y Q S S 10 kg / g 38 x obs 0 Ο υπολογισμός του μέρους Β (Part B) παρουσιάζει ενδιαφέρον εάν η συγκέντρωση του bcod είναι υψηλή. Ο υπολογισμός του Part C είναι ιδιαιτέρα σημαντικός για την διαδικασία νιτροποίησης και απονιτροποίησης λόγω της πιθανότητας έκπλυσης των βακτηριδίων νιτροποίησης. Ο υπολογισμός του Part D είναι σημαντικός όταν το nbvss στην εισροή είναι υψηλό. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν τα βιομηχανικά λύματα που απορρίπτονται περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις nbvss. 34
Department of Chemical School of Μικροβιολογία της ενεργής ιλύος Οι κροκίδες αποτελούνται από φυσικά απαντώμενα βακτήρια κυρίως των γενών Pseudomonas, Archromobacter, zooglea, και Citromonas Βιοπολυμερή περίπου το 15-20 % των κροκίδων Νεκρούς μικροοργανισμούς 5-25% Οργανικό και ανόργανο σωματιδιακό υλικό με το πτητικό του μέρος να βρίσκεται μεταξύ 60% έως 95% 35
Department of Chemical School of 36
Department of Chemical School of Τα βακτήρια που σχηματίζουν συσσωματώματα περιέχουν ένα στρώμα πολυσακχαρίτη γνωστό ως γλυκοκάλυκα ο γλυκοκάλυκας περιέχει πρωτεΐνες και υδατάνθρακες και βοηθά να παγιώσει τα βακτήρια μαζί Αυτό συμβαίνει σε σχέσης F / M χαμηλότερες από 2 Για να σχηματίσει κροκίδες ακανόνιστου σχήματος με ισχυρή πρόσδεση, μικρή συγκέντρωση νηματοειδών είναι επιθυμητή Μπορεί να υπάρξει καλής ποιότητας συσσωματώματα χωρίς την ύπαρξη νηματωδών 37
Department of Chemical School of Οι μικροκροκίδες Οι μικροκροκιδες (<50um) είναι γνωστό ότι σχηματίζονται σε συνθήκες λιμοκτονίας και σχετίζονται με πολύ χαμηλή αναλογία F / M Σε αυτές τις περιπτώσεις οι κροκυδώσεις καθιζάνουν με αυξημένο ρυθμό αφήνοντας πίσω τους ένα θολό τελικό υπερκείμενο υγρό το φαινόμενο προκαλείται από χρόνια προβλήματα τοξικότητας και εκτεταμένο στρες Η ύπαρξη μικροκροκίδων σε υψηλή συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών μπορεί να εμποδίζει την καθίζηση Εμφανίζεται συνηθέστερα σε μικρής κλίμακας μονάδες και συνήθως προκαλείται από αδυναμία ρύθμισης του ph μεταξύ 7-9 και ύπαρξη μεγάλων συγκεντρώσεων οργανικών οξέων και αμμωνίας 38
Department of Chemical School of 39
Department of Chemical School of Η διόγκωση της ιλύος από filamentous H διόγκωση της ιλύος λόγο την εκτεταμένης ανάπτυξης των οργανισμών filamenous είναι η υπ 'αριθμόν ένα αιτία περιβαλλοντικών παραβιάσεων από μονάδες επεξεργασίας λυμάτων Μία διογκωμένη λάσπη καθιζάνει αργά, και έχει ένα Sludge Volume Index > 150 Τα νήματoειδη προκαλούν διόγκωσης λόγω γεφύρωσης που επιτρέπει να σχηματίζονται ανοιχτής δομής συσσωματώματα 40
Department of Chemical School of 41
Department of Chemical School of Αφρισμός από Microthrix parvicella Gram θετικό, μη διακλαδισμένο νηματοειδές Προκαλεί εκτεταμένα προβλήματα διόγκωσης σε συστήματα αερόβιας επεξεργασίας Ευνοείται από: Μεγάλα SRTs Εναλλασσόμενες αερόβιες αναερόβιες ζώνες Σημεία που επιτρέπουν την παγίδευση Αφρού Χαμηλή θερμοκρασία Ύπαρξη μακράς αλυσίδας λιπαρά οξέα (LCFA) με πηγή τα τροφικά υπολείμματα 42
Department of Chemical School of 43
Department of Chemical School of Οσμές-εμφάνιση Αφρισμός από NOCARDIA Κίνδυνοι για την ασφάλεια (λόγω της υπερχείλισης των δεξαμενών αερισμού) Πιθανό πάγωμα κατά τη διάρκεια του χειμώνα Ο αφρός μπορεί να ξεφύγει από τη λεκάνη αερισμού, να προκαλέσει εκτεταμένα προβλήματα στις συστοιχίες απολύμανσης, με αποτέλεσμα το τελικό υγρό να μην πληροί τις προδιάγραφες Οι νιφάδων του μικροοργανισμού μπορούν να εγκλωβίσουν τους αερόβιους μικροοργανισμούς με αποτέλεσμα την αναστολήκατάρρευση της διεργασίας 44
Department of Chemical School of 45
Department of Chemical School of Τρόποι αντιμετώπισης του προβλήματος Όλα τα βακτήρια που προκαλούν αφρισμό αναπτύσσονται σε λίπη και έλαια Τα συστήματα ενεργής ιλύος που στερούνται πρωτοβάθμιας επεξεργασία υποφέρουν από προβλήματα αφρισμού Είναι απαραίτητη η κατασκευή συστημάτων συγκράτησης και απομάκρυνσης των λιπών πριν την είσοδο των αποβλήτων στις δεξαμενές αερισμού Τα βοθρολυμάτων είναι γνωστό ότι περιέχουν μεγάλες συγκεντρώσεις λιπών και ελαίων Οι μικροοργανισμοί Nocardia και M. parvicella εμφανίζονται σε ιλύς μεγάλης ηλικίας Ο μικροοργανισμός Nocardia ελέγχεται συχνά με τη μείωση της ηλικίας της ιλύος σε λιγότερο από 6-8 ημέρες Ο M. parvicella ελέγχεται συχνά με μείωση της ηλικίας ιλύος κάτω από το 8-10 μέρες Αυτό δεν είναι πάντα εφικτό αν απαιτείται νιτροποίηση 46
Department of Chemical School of Δευτεροβάθμια καθίζηση Η δευτεροβάθμια καθίζηση διαδραματίζει σημαντικό ρόλο ως τελικό στάδιο της μεθόδου της ενεργής ιλύος. Συνδυάζει τις λειτουργίες της καθίζησης της πάχυνσης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως χώρος συσσώρευσης της λάσπης σε ώρες αιχμής Ως εκ τούτου, πολλοί διαφορετικοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της δευτεροβάθμιας καθίζησης πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό. Αυτές οι τρεις λειτουργίες πρέπει να εκτελούνται ορθά με βάση το σχεδιασμό, ειδάλλως αιωρούμενα στερεά θα καταλήξουν στον τελικό αποδεκτή. Η συμπεριφορά των δεξαμενών δευτεροβάθμιας καθίζησης επηρεάζεται κυρίως από την επιφάνεια, βάθος, τα είδος εισόδου και εξόδου, τα υδραυλικά συστήματα που έχουν εγκατασταθεί, από καιρικά φαινόμενα και από τα χαρακτηριστικά της ιλύος. 47
Department of Chemical School of 48
Department of Chemical School of Κατά το σχεδιασμός της δευτερογενούς δεξαμενής καθίζησης χρησιμοποιείται η επιφάνεια φόρτισης ως παράμετρος σχεδιασμού. Ο Hazel (1904) ανέπτυξε ένα μοντέλο οριζόντια ροής για τη διαδικασία καθίζησης βάση του οποίου τα σωματίδια με ταχύτητα καθίζησης μεγαλύτερο από v f θα καθιζάνουν ενώ διέρχεται από το ένα άκρο της δεξαμενής προς το άλλο (υποθέτοντας ότι όλα τα σωματίδια κινούνται με όμοια ταχύτητα) V f =Q/A Οπού v f = η ταχύτητα καθίζησης, m/s Q = ροή, m 3 /s A = επιφάνεια καθίζησης, m 2 Η σχέση Q/A είναι η λόγος υπερχείλισης και θέτει τον περιορισμό στην φόρτιση της δεξαμενής 49
Department of Chemical School of Δεδομένα σχεδιασμού Μέγιστος ρυθμός υπερχείλισης σε βροχερό καιρό 1.0 m/h Ελάχιστος χρόνος παραμονής σε ξερό καιρό 1.5 h Μέγιστη φόρτιση σε ξερό καιρό 8.3 m 3 /h m 2 Διεργασίας Ενεργή ιλύς με προσθήκη ατμοσφαιρικού αέρα Εκτεταμένος αερισμός Ενεργή ιλύς με προσθήκη οξυγόνου Υδραυλική φόρτιση Φόρτιση στερεών Βάθος (m) (m3/h) (kg/m2/h) Μ.Ο μέγιστη Μ.Ο μέγιστη 0.68-1.36 1.70-2.04 4.08-6.08 10.17 3.66-4.57 0.34-0.68 1.36 4.08-6.08 10.17 3.66-4.57 0.68-1.36 1.70-2.04 5.08-7.13 10.17 3.66-4.57 50
Department of Chemical School of Thank you for your kind attention www.enve-lab.eu A connectivity perspective to environmental health 51